Hilal Deniz Yilmaz等研究团队以Canakkale Onsekiz Mart University和Ankara University为主要研究机构开展了一项原创性科学研究，并将其成果发表在《Journal of Bioscience and Bioengineering》第131卷第4期（2021年）上。研究题目为“From a plant secretion to the promising bone grafts: Cryogels of silicon-integrated quince seed mucilage by microwave-assisted sol-gel reaction”，并通过论文详细介绍了利用植物黏液结合无机硅材料开发骨修复冷冻凝胶的过程、结果及其应用潜力。
研究背景涉及再生医学与组织工程领域，特别是骨修复材料的开发。骨损伤的传统修复方法依赖自体移植（autografting），然而供体短缺、手术需求以及感染风险促使学术界寻求替代方案。近年来，天然生物材料因其生物相容性、可持续性及能够模拟细胞外基质（ECM）等优势被广泛研究。作为植物黏液的一种，榅桲种子黏液（quince seed mucilage, QSM）具有刺激响应性、再生性和抗炎作用，且经济环保，具备高应用潜力。然而，QSM因其机械性能偏低、过度亲水等缺陷需要进行性能优化。本研究通过结合二氧化硅（silica）的生物学特性，旨在提高QSM的机械性能及骨组织工程潜力。
研究首先从榅桲种子中提取黏液（QSM），随后利用微波辅助的溶胶-凝胶反应（microwave-assisted sol-gel reaction）制备含二氧化硅的QSM复合冷冻凝胶（silicon-integrated QSM, Si-QSM）。
黏液提取
通过旋转蒸发提取QSM，随后使用冷冻干燥进行储存。
Si-QSM制备
通过溶胶-凝胶方法将四乙氧基硅烷（tetraethyl orthosilicate, TEOS）作为硅化试剂与水和盐酸混合，随后与QSM混合液搅拌均匀。在350W功率下加热2分钟，通过微波辅助反应形成复合水凝胶（Si-QSM hydrogel），最终通过冷冻干燥制备3D多孔复合冷冻凝胶（cryogel）。
物理化学表征
研究通过红外光谱（ATR-FTIR）、固态核磁共振（29Si CP-MAS NMR）、X射线衍射（XRD）、热重分析（TGA）、差示扫描量热分析（DSC）等技术，深入解析Si-QSM结构及其热稳定性。
结果显示，硅的引入改变了QSM的分子结构，形成了Si–O键，并显著提高了其热稳定性（Si-QSM在500°C以上表现出出色的结构完整性）。
机械性能和3D微观结构
通过单轴压缩测试测量线性压缩模量，Si-QSM表现出>200kPa的显著增强强度，相较普通QSM提高了1.5倍。电子显微镜（SEM）图显示Si-QSM的孔隙显著小于QSM，形成了更坚硬的骨样结构，总表面积提高了9倍。
生物相容性评估
在体外实验中，将人源脂肪间充质干细胞（hAMSCs）接种于QSM和Si-QSM冷冻凝胶上，通过MTT检测、SEM观察、酶学降解测试探索细胞增殖、黏附和材料降解行为。Si-QSM显著增强了细胞黏附和增殖能力。
成骨评估
通过Alizarin Red S及Von Kossa染色、免疫组化（IHC）评估成骨标志分子（如骨桥蛋白Osteopontin、骨钙素Osteocalcin等），以及通过实时定量PCR测试成骨相关基因（如RUNX2、COL1A1、ALP和Osteonectin）的表达上调情况。
结果显示，Si-QSM显著加速细胞矿化进程并促进基因表达，在7到21天周期中持续保持较强的成骨诱导能力。
所有实验重复三次，通过单因子方差分析（ANOVA）和后续Tukey检验验证实验数据显著性，P < 0.05视为显著差异。
研究成功展示了Si-QSM冷冻凝胶在成骨应用中的显著优势。当Si融入QSM时，提高了其机械性能、热稳定性和细胞黏附能力。体外研究表明，Si-QSM可以早期促进成骨相关基因表达，包括RUNX2、COL1A1、Osteocalcin等，表现出增强的骨组织工程应用潜力。
此外，添加Si后，QSM的降解速率加快，这可能为新骨形成留下空间，契合骨组织修复需求。研究结果表明，基于植物分泌物和无机混合物的生物材料具有替代合成材料的潜力，为骨移植提供了经济、高效的解决方案。
创新性制作流程
首次采用微波辅助溶胶-凝胶反应法用于QSM冷冻凝胶的改性，生产过程简单且高效。
Si-QSM的优异性能
显示出优越的机械性能、三维多孔特性、高表面积以及增强的生物活性，极具骨组织工程应用前景。
融合植物和无机材料优势
将植物黏液经济、环保的特性与硅化合物的生物活性结合，为未来组织工程策略开辟新途径。
广泛应用潜力
材料低成本（生产费用低于1美元/克），未来可推广为经济实用的医疗材料，用于骨移植或其他再生医学领域。
研究建议后续应通过动物模型验证Si-QSM的体内修复能力，从长远看，它可能应用于外科骨移植以及其他结合无机材料增强性能的组织工程领域。